CN113540324B - 一种发射三基色偏振光的rgb-led器件制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种发射三基色偏振光的RGB‑LED器件制作方法，涉及全彩化器件。将绿色/红色钙钛矿材料分别制成钙钛矿油墨，并使用喷墨打印机喷涂在具有双通纳米级多孔结构的基板上，同时对基板的底面施加真空泵以引导油墨进入纳米孔，经热退火后，纳米孔结构将色转换材料重结晶为有序排列的纳米线阵列结构，制得绿色/红色色转换层；将两层色转换层粘合，下方放置非极性或半极性蓝光Micro‑LED作为激发光源，用紫外光固化树脂将两层色转换层与激发光源粘连，制得发射三基色偏振光的RGB‑LED器件。具有高光致发光外部量子效率，减小光损耗，且均具有较高的调制带宽。
Description
技术领域
本发明涉及全彩化器件技术领域，尤其是涉及一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法。
背景技术
光是一种电磁波，在传播的过程中，周围的电场和磁场互相垂直，且都垂直于光的传播方向。通常将光矢量定义为光的电场强度。通常情况下，自然光的光矢量在各方向振动的概率均等，且这些振动方向彼此没有关联。若光矢量在垂直于传播方向的平面内的投影在各个方向上不是统计性均勾分布，则称这种光波是偏振的，即偏振光。光波发生偏振是不同振幅的光波相互叠加的结果，这些光波导致光矢量的方向和大小在垂直光线的平面内有规律的变化，呈现出不同的振动方向和状态。
计算光的偏振率时，首先在偏振光的接收端放上偏光片，测量在偏光片不同角度下接收端测得的光强，并使用以下公式计算偏振率：
其中，Imax、Imin分别是偏光片转动角度时，终端测得偏振光的最大、最小光强。
随着我国电子光学方面科技的高速发展，偏振光的应用逐渐受到人们的广泛关注。偏振光虽然难以被人眼所识别，但是它是光学发展中的重要组成部分，无论是在液晶显示技术、光通信、超灵敏光电探测器以及光学量子计算方面都发挥着至关重要的作用。
在液晶显示中，传统的背光光源发出的光含有沿各个不同方向振动的成分，在显示器中通常使用偏光片产生偏振光作为背板光源使用。进而利用液晶分子取向的不同，使偏振光透过或遮断，从而达到画面显示的目的。液晶显示模组的成像必须依靠RGB三基色偏振光，少任何一色偏光片，液晶显示模组都不能显示图像。
偏振光在光通信领域同样有重要的应用价值。首先，光的偏振性可用于保密通信领域。光纤本身的保密性强，但一旦光纤的涂敷层被损坏，那么导波条件就会被破坏，传输信息的部分光将变成泄漏模，这时外部就可以在不中断通信的情况下进行信息窃取。因此传输过程中需要选择一种参数状态来实时监控光纤。当承载信号的是偏振光时，通过检测它的偏振态则可以反映这种弯曲变化，从而保证传输过程中有安全风险时能被及时发现。
此外，偏振光之间偏振态的多样化可以很好地利用到光学复用技术之中，这样每一种偏振态都可以在***中单独表示信息，制成光偏振复用***。同时光的偏振太在自由空间中几乎不会改变，这是因为大气对偏振态的影响很小，这表明偏振复用***有着很高的传输可靠性。
当前产生偏振光的方法大多是在光源后加上偏光片，在这个过程中，偏光片将不可避免地造成大量的光损耗，多数情况下可达到百分之五十，这极大地限制偏振光的应用，同时，无论偏振光是用于全彩化显示或是光通信，目前的器件中往往只能发出单色偏振光，难以发出包含RGB三基色的偏振光。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供可发出RGB三基色偏振光，且具有很强的发光效率，方法光功率损失小的一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法。
本发明包括以下步骤：
步骤1：将绿色量子点色转换材料和红色量子点色转换材料分别添加溶剂并制成油墨，并使用喷墨打印机喷涂在具有双通纳米级多孔结构的基板上，该基板的作用是将量子点色转换材料塑成有序纳米线的形状；同时对基板的底面施加真空泵以引导油墨进入纳米孔，经热退火后，纳米孔结构将钙钛矿重结晶生长有序排列的钙钛矿纳米线阵，制得绿色量子点材料色转换层和红色量子点材料色转换层；
步骤2：将绿色量子点材料色转换层与红色量子点材料色转换层重叠，同时在绿色和红色量子点材料色转换层的正下方放置能够发射偏振光的蓝光Micro-LED作为激发源，此光源包括但不限于半极性蓝光Micro-LED或非极性蓝光Micro-LED，用紫外光固化树脂将两层色转换层与激发光源粘连，制得发射三基色偏振光的RGB-LED器件。
在步骤1)中，所述绿色量子点色转换材料包括但不限于CH3NH3PbBr3、CsPbBr3。
所述红色量子点色转换材料包括但不限于CsPbI3。
所述溶剂包括甲苯、氯仿、正己烷、甲苯等中的至少一种；
所述具有双通纳米级多孔结构的基板，其材料为非极性化合物，包括但不限于阳极氧化铝；所述具有双通纳米级多孔结构的基板的纳米孔孔径为20～60nm，孔中心间距为65～ 125nm。
所述具有双通纳米级多孔结构的基板的厚度为5～10μm。
所述热退火可将样品放在80～150℃的热板上进行1～2h，优选90℃的热板上进行2h 的热退火，以去除溶剂；所述红色钙钛矿材料包括但不限于CsPbI3等红色钙钛矿材料。所述红色钙钛矿材料为纳米级尺寸且具有在紫外、蓝光激发下的色转换功能。
与现有相关技术比较，本发明具有如下有益效果：
1.所述器件的色转换层采用量子点纳米线阵列，具有高光致发光外部量子效率。
2.所述器件的激发光源使用能够发出偏振蓝光的半极性或非极性Micro-LED，且由有序排列的量子点纳米线阵列组成器件的红、绿色转换层，能够在蓝光激发下能够发出强偏振光，因此该器件能够发出具有偏振性的RGB三基色光。
3.由于所述色转换层中纳米线阵列的高度有序排列，同时激发光源也具有高偏振性发射性能，因此所述器件发出的RGB三基色光的偏振性都很高，相比于传统的采用偏光片产生偏振光的方法能够很大程度上减小光损耗；且由于激发光源为极性或半极性Micro-LED，均具有较高的调制带宽，所述器件除可用于液晶显示器的背板光源外，也可用作可见光通信的光源，利用其偏振性实现多入多出偏振复用***。
附图说明
图1为制备所述器件的色转换层的纳米孔基板。
图2为利用基板结合喷墨打印技术制备所述量子点纳米线阵列的过程。
图3为制成的红、绿色量子点纳米线阵列色转换层的结构示意图。
图4为所述发射三基色偏振光的RGB-LED器件的结构分解示意图。
图5为所述发射三基色偏振光的RGB-LED器件的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明采用的技术方案如下：
卤化物量子点色转换材料可以被蓝光激发从而生成红光或者绿光，并且因其具有高吸收系数、强光致发光发射和可控的光电特性，且能够通过经济又高效的溶液工艺进行生长，因此在光电照明和全彩显示领域都得到广泛的应用。本发明所述实现偏振性色转换层的量子点色转换材料可以为XPbY3，X＝Cs、CH3NH3等，Y＝Br、I等，所述材料前驱体为纳米级尺寸且具有在紫外、蓝光激发下的色转换功能。
当色转换材料被重结晶为纳米线结构时，将具有拉长的一维结构和高折射率，因此能够发射强偏振光。而为了实现具有高度极化发射光的颜色转换层，内部的纳米线阵列需要有序排列。静电纺丝、机械摩擦、各向异性刻蚀是制备具有序排列的纳米线结构的常用方法。然而，上述方法都不适用于卤化物量子点等色转换材料，因为这些材料通常是不稳定的，当它们与极性化合物或极性环境接触时往往会被降解。此外，除制备纳米线阵列结构的困难外，衬底和其他周围材料还应具有较高的透光率，以减少激发光发射过程中的光损耗。
在本发明中，使用具有均匀分布的双通纳米孔的基板对所述色转换材料的生长方向进行约束，基板材料选择非极性化合物，例如阳极氧化铝等，并结合喷墨打印技术制备定向排列的纳米线阵列色转换薄膜，作为用于发射偏振光的色转换层。
喷墨打印技术以其简单、灵活、快速、成本效益高等优点被认为是微电子制造技术的前沿技术，且为实现色转换材料的纳米线结构提供新方法。首先，将所述色转换材料制备成油墨，并喷墨打印在具有均匀分布的双通纳米孔的基板上，同时对基板的底面施加真空泵以引导油墨进入基板中的纳米孔。经热退火后，氧化铝中的纳米孔结构会将色转换材料重结晶为纳米线形状。由于基板的纳米孔都是沿着基板的垂直平面取向，因此得到的纳米线阵列具有方向一致的排列。基于上述方法制作的红、绿色转换层可以发出强偏振光。
关于器件的激发光源，选用能够发出偏振蓝光的非极性或者半极性Micro-LED。普通的极性LED基于c面生长，在量子阱中存在较大的极化场，这将导致量子受限斯塔克效应(QCSE) 的产生，使得电子空穴波函数的重叠减少，载流子复合寿命增加。这些问题可以通过增加具有高倾斜角的非极性或半极面来克服。同时，非极性或半极性LED在如临界厚度、效率、和改进QCSE导致的低热下垂方面有着很高的价值，因此也获得显著的关注。此外，通过生长半极性平面的单量子阱(SQW)结构，可以使效率和发热损失降到最低。此外，对GaN晶体施加应变时，它的能带结构将发生变化，并且InGaN有源层也会因为GaN层上的异质外延生长而产生应变。在普通c平面生长的LED中，平面内的应变是各向同性的，它不会改变晶体对称性，并且能带结构基本保持不变。但是，在非极性、半极性平面生长的LED中，面内应变是各向异性的，导致晶体对称性发生变化。因此，半极性LED发射的光具有偏振性。
利用所述蓝光Micro-LED和所述颜色转换层制作RGB-LED器件，这样由非极性或半极性Micro-LED发出的蓝光本身具有偏振性，且通过蓝光激发所述色转换层发出的绿光和红光也具有偏振性，使用所述方法制作的器件发出的RGB三基色光均具有偏振性，不仅可用于液晶背板显示，也可用于可见光通信中的偏振复用。这对于开发下一代光电应用的偏振光源具有重要意义。
以下结合附图给出具体实施例。
参见图1，参见图1，为制作所述器件色转换层使用的基板1。所述基板1中具有均匀分布的圆柱形纳米孔，孔径包括但不限于20nm、40nm、60nm，孔中心间距包括但不限于65nm、100nm、125nm，基板厚度包括但不限于5μm、10μm，基板采用非极性材料，例如阳极氧化铝等，以防止与色转换材料发生反应，利用该基板限制色转换材料的生长方向，形成纳米线阵列结构。
参见图2，为利用所述基板1结合喷墨打印技术生长所述量子点色转换材料的纳米线阵列结构的过程。将色转换材料制作为油墨加入喷墨打印机中，并将油墨2喷涂在图1所示的基板1上，同时将被色转换材料油墨覆盖的基板放在真空泵上，真空泵抽取基板底部空气，以引导油墨进入基板中的纳米孔。之后将基板进行热退火，这样基板中的纳米孔结构会将前驱体材料重结晶为纳米线形状。
参见图3，为利用所述色转换材料制成的纳米线阵列的结构示意图。由于基板1的纳米孔都是沿着基板的垂直平面取向，对基板1的底面施加真空泵以引导油墨进入基板的纳米孔，经热退火后，纳米孔结构将色转换材料重结晶为有序排列的纳米线阵列结构3，得到的色转换纳米线阵列结构3具有方向一致的排列，这样结构的色转换材料能够被激发出具有强偏振性的光。
参见图4，为所述能够发出三基色偏振光的RGB-LED器件的结构分解示意图。器件底部所用激发光源为在半极性或非极性面上生长的蓝光Micro-LED，能发出具有高效率、高带宽、低波长偏移且具有偏振性的蓝光。在光源上加入图3所述纳米线阵列结构的色转换材料组成的红色/绿色色转换层薄膜4，激发光源5从垂直平面方向对色转换纳米线阵列薄膜进行激发。标记6表示激发光源的外部封装。三基色偏振光的RGB-LED器件三基色层的叠放次序可以依次为绿色色转换层薄膜→红色色转换层薄膜→蓝光Micro-LED，或红色色转换层薄膜→绿色色转换层薄膜→蓝光Micro-LED。
参见图5，为所述能够发出三基色偏振光的RGB-LED器件的完整结构示意图。色转换量子点纳米线阵列和基板组合成的绿色/红色色转换层4下方放置非极性或半极性蓝光Micro-LED作为激发光源5，用紫外光固化树脂7将两层色转换层与激发光源粘连。两层颜色转换层与蓝光Micro-LED组合在一起，实现能够发出三基色偏振光的RGB-LED器件。
本发明实施例的制备方法包括如下步骤：
步骤1：如图2所示，生长具有有序排列的纳米线阵列结构的绿色色转换层。
将包括但不限于CH3NH3PbBr3、CsPbBr3等绿色色转换材料制成油墨，并使用喷墨打印机将油墨喷涂在如图1所示的纳米级多孔双通基板上，同时对基板的底面施加真空泵以引导油墨进入纳米孔，在过程中需要调节真空吸力在一个适中的程度以防止油墨分布不均，之后将样品放在90℃的热板上进行2小时的热退火，去除溶剂，使色转换材料在纳米孔中重结晶为纳米线结构，如图3所示。
步骤2：生长具有有序排列的纳米线阵列结构的红色色转换层。
使用包括但不限于CsPbI3等红色色转换材料按与步骤1相同的过程制备红色色转换层。
步骤3：制作发出三基色偏振光的RGB-LED器件。
如图4所示，在所述绿色和红色色转层下方放置非极性或半极性蓝光Micro-LED作为激发光源，用紫外光固化树脂将两层色转换层与激发光源粘连。蓝光Micro-LED位置处于两层色转换层的正下方，沿着蓝光Micro-LED封装的边缘粘连。两层颜色转换层与蓝光Micro-LED 组合在一起，实现能够发出三基色偏振光的RGB-LED器件。
本发明制作的RGB-LED器件无需使用外部偏光片，而是利用具有有序排列的双通纳米孔基板限制色转换材料的生长方向，从而得到具有纳米线阵列结构的色转换层，这样的色转换层发出的光具有很强的偏振性，同时器件内部的激发光源选用本身具有强偏振性非极性或半极性蓝光Micro-LED，所述方法制成的器件能够发出RGB三基色偏振光，且具有很强的发光效率，与传统的使用偏光片得到偏振光的方法相比，本发明所采用方法的光功率损失较小。
综上所述，本发明提供一种能够发射三基色偏振光的RGB-LED器件的制作方法，其发射光的高偏振性可以大大降低偏振器的光学损耗，这对于开发下一代光电应用的偏振光光源具有重要意义。
Claims (10)
1.一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：将绿色量子点色转换材料和红色量子点色转换材料分别添加溶剂并制成油墨，并使用喷墨打印机喷涂在具有双通纳米级多孔结构的基板上，同时对基板的底面施加真空泵以引导油墨进入基板的纳米孔，经热退火后，纳米孔结构将色转换材料重结晶为有序排列的纳米线阵列结构，制得绿色量子点色转换层和红色量子点色转换层；
步骤2：将绿色量子点色转换层和红色量子点色转换层粘合，并在下方放置能发偏振蓝光的非极性或半极性蓝光Micro-LED作为激发光源，用紫外光固化树脂将两层色转换层与激发光源粘连，制得发射三基色偏振光的RGB-LED器件。
2.如权利要求1所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于在步骤1中，所述绿色量子点色转换材料包括CH3NH3PbBr3、CsPbBr3。
3.如权利要求1所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于在步骤1中，所述红色量子点色转换材料包括CsPbI3。
4.如权利要求1所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于在步骤1中，所述溶剂选自甲苯、氯仿、正己烷中的至少一种。
5.如权利要求1所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于在步骤1中，所述具有双通纳米级多孔结构的基板，其材料为非极性化合物，包括阳极氧化铝。
6.如权利要求1所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于在步骤1中，所述纳米孔的孔径为20～60nm，纳米孔中心间距为65～125nm。
7.如权利要求1所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于在步骤1中，所述基板的厚度为5～10μm。
8.如权利要求1所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于在步骤1中，所述热退火是将样品放在80～150℃的热板上进行1～2h的热退火。
9.如权利要求8所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法，其特征在于所述热退火是将样品放在90℃的热板上进行1h的热退火。
10.如权利要求1～9中任一所述一种发射三基色偏振光的RGB-LED器件制作方法制作的RGB-LED器件。
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